(57)【要約】【課題】並列ループ型熱分散プレートに発生する作動流体の圧力損失を低減して作動流体の循環を円滑にすることにより熱輸送能力を高め、発熱密度の高い発熱体の放熱を低温度差で行なえる並列ループ型熱分散プレートを提供する。【解決手段】高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を並列に配列して細孔列を形成し、前記基板の上下両端にそれぞれヘッダを設け、このヘッダにより前記細孔列の各細孔を相互に連通するとともに密封し、細孔列内に2相凝縮性作動流体を気密的に封入してなる並列ループ型熱分散プレートにおいて、前記ヘッダの細孔を連通する流路の細孔と対向する内壁に、前記細孔列の作動流体の往流路となる細孔から還流路となる細孔へ案内する整流部または還流路となる細孔から往流路となる細孔へ案内する整流部の少なくとも一方を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を並列に配列して細孔列を形成し、前記基板の上下両端にそれぞれヘッダを設け、このヘッダにより前記細孔列の各細孔を相互に連通するとともに密封し、細孔列内に2相凝縮性作動流体を気密的に封入してなる並列ループ型熱分散プレートにおいて、前記ヘッダの細孔を連通する流路の細孔と対向する内壁に、前記細孔列の作動流体の往流路となる細孔から還流路となる細孔へ案内する整流部、または還流路となる細孔から往流路となる細孔へ案内する整流部の少なくとも一方を形成したことを特徴とする並列ループ型熱分散プレート。
【請求項２】
請求項１記載の並列ループ型熱分散プレートにおいて、前記ヘッダ流路の内壁の整流部を直線状の傾斜面で形成したことを特徴とする並列ループ型熱分散プレート。
【請求項３】
請求項１記載の並列ループ型熱分散プレートにおいて、前記ヘッダ流路の内壁の整流部を流線状の曲面で形成したことを特徴とする並列ループ型熱分散プレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の発熱密度の高い発熱体の冷却に適した並列ループ型熱分散プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は高集積化、高出力化に伴って損失が増加し、発熱量が増大するので、これを効果的に冷却することが必要となる。
【０００３】
半導体素子の発生損失が数Ｗレベルまでは半導体素子の表面からの自然放熱でもよいが、数十Ｗレベルでは、これまで図７に示すようにアルミニウム等の高熱伝導性材料で構成された基板５１に放熱フィン５２を多数取付けて構成した放熱器５０を用いるようにしていた。この放熱器５０を半導体素子などの発熱体１に結合し、発熱体１の熱をこの放熱器５０へ伝達し放熱フィン５２から大気中への放熱することにより発熱体の熱の放熱が促進される。また、半導体素子などの発熱体の損失が数十Ｗ以上のレベルとなった場合は、この放熱器５０に電動ファン６０により送風することにより放熱効率をさらに向上させるようにするのが一般的である。
【０００４】
半導体素子の出力がさらに増大し、または実装密度が高密度化することにより、放熱器にさらに高い単位面積あたりの放熱量が要求されるが、この場合は、一般に、図８に示すように、放熱器５０に設ける櫛歯状の放熱フィン５２ａの間隔を可能な限り小さくしたり、図９に示すように、放熱フィン５２ｂを格子状にすることにより、放熱フィン５２の放熱面積を増加させて放熱効率を高め、半導体素子の温度上昇を抑制するようにしている。
【０００５】
半導体素子等の発熱体１の発熱量が大きい場合、放熱器の温度上昇を抑制するには、放熱面積を大きくして、熱抵抗を小さくすることが必要であるため、図７に示す放熱器５０の幅または長さを大きくすればよいのであるが、放熱器の基板５１の熱抵抗により発熱体１の取付け部近傍と基板の端部との温度差は、放熱器の幅および長さを増加させるにしたがって大きくなるため、必ずしも、放熱器５０の表面積拡大に比例して放熱器の温度上昇が低減されるものではない。
【０００６】
このため、発熱体１で発生した熱を放熱器基板５１の全面に低温度差で分散する手段が必要であり、特許文献１には、図１０に示すような熱分散型放熱器が提案されている。
【０００７】
この図１０の放熱器は、アルミニウム等の高熱伝導性の金属で形成された櫛歯状放熱フィン５２を有する放熱器５０の基板５１内にそれぞれ密封された細管により独立して形成されたヒートパイプ７を複数分散して配設し、基板５１の一部に結合された半導体素子等の発熱体１から発生する熱をこのヒートパイプ７により基板５１の全体に分散させて放熱フィン５２に伝達するようにしたものである。これにより実効的な放熱器の放熱面積が拡大し、大気に対して低温度差での放熱が行えるようになり、放熱効率が高まる。
【０００８】
半導体素子などの高集積化と実装密度の高密度化に対応して単位面積あたりの放熱量が１０Ｗ／ｃｍ2レベルを超えるような発熱体を冷却する場合には、前記のようなヒートパイプを組み込んだ放熱器の採用が検討されているが、図１０に示した放熱器の基板５１内にヒートパイプ７を組み込む形式の放熱器の場合は、複数のヒートパイプ７が独立して形成されているので放熱器の基板５１内での熱分散方向が、ヒートパイプ７の長手方向に限られるため、実効的な放熱面積の拡大はできても複数の半導体素子などの発熱体の発熱分布のバラツキを十分に吸収することができない。これを改善するためには、特に大容量の半導体変換装置の冷却装置に適用した場合、より多数のヒートパイプを設ける必要があり、基板５１への細孔の加工およびヒートパイプにかかる費用が嵩む問題がある。
【０００９】
また、特許文献２には、図１１に示すような、金属平板６１内部に複数の細孔６２を並列に配列した細孔列を形成し、この細孔列の各細孔を上下両端においてヘッダ流路６３により連通したうえで、細孔６２列内に２相凝縮性の作動流体６５を適量封入して構成した並列ループ型熱分散プレート６０が開示されている。この熱分散プレート６０は、平板６１内に形成された細孔列により形成されたヒートパイプにより半導体素子等の発熱体１から発生された熱を平板６１の全体に分散することができ平板６１全体の温度分布を均一化でき、温度上昇を抑制できる。
【特許文献１】特開２００１−１５６２９９号公報（２〜４頁、図１）
【特許文献２】特開平０４−２６０７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の並列ループ型熱分散プレート６０は、基板内の細孔列の個々の細孔による流路と上下端のヘッダによる流路とが直交しているため、作動流体が細孔からヘッダへ流入するとき、またはその逆にヘッダから細孔へ流出するとき、作動流体がヘッダの内壁または細孔の周壁に衝突して圧力損失を高め、作動流体の円滑な流れが阻害されることにより、熱輸送性能が低下する問題がある。
【００１１】
この発明は、このような問題を解決するために、並列ループ型熱分散プレートに発生する作動流体の圧力損失を低減して作動流体の循環を円滑にすることにより熱輸送能力を高め、発熱密度の高い発熱体の放熱を低温度差で行なえる並列ループ型熱分散プレートを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するため、この発明は、高熱伝導性材からなる平板状の基板内に複数の直線状の細孔を並列に配列して細孔列を形成し、前記基板の上下両端にそれぞれヘッダを設け、このヘッダにより前記細孔列の各細孔を相互に連通するとともに密封し、細孔列内に2相凝縮性作動流体を気密的に封入してなる並列ループ型熱分散プレートにおいて、前記ヘッダの細孔を連通する流路の細孔と対向する内壁に、前記細孔列の作動流体の往流路となる細孔から還流路となる細孔へ案内する整流部または還流路となる細孔から往流路となる細孔へ案内する整流部の少なくとも一方を形成したことを特徴とする。
【００１３】
前記ヘッダ内壁の整流部は直線状の傾斜面または、流線状の曲面により形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、ヘッダ内の流路の細孔列と対向する内壁に、前記細孔列の作動流体の往流路となる細孔から還流路となる細孔へ案内する整流部および還流路となる細孔から往流路となる細孔へ案内する整流部の少なくとも一方を形成することにより、ヘッダの流路内において、作動流体の流れがヘッダ流路の内壁により整流されて、往流路となる細孔から還流路となる細孔または還流路となる細孔から往流路となる細孔へ円滑に案内されるため、作動流体のヘッダ流路内壁への衝突による圧力損失を低減することができ、作動流体の熱輸送能力を高めることができる。したがって、局部的に加わる熱を熱分散プレート全体に効率よく分散して低温度差で放熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する
【実施例１】
【００１６】
図１はこの発明の並列ループ型熱分散プレートの実施例１の構成を示すものであり、（Ａ）は平面断面図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）側面断面図である。
【００１７】
図1において、１１は、高熱伝導性材製の多穴板により構成した平板状の基板であり、この基板１１の中に上下方向に直線状に延びた隔壁１２によって区画形成された複数の細孔１３を並列に配列された細孔列１３Ｌが設けられている。基板１１の上下両端に、それぞれ上部ヘッダ１４および下部ヘッダ１５を気密的に結合し、その内部に形成された流路１６、１７により基板１１の細孔列１３Ｌの各細孔１３を相互に連通させるようにしている。そしてこの基板１１内にヒートパイプの作動流体として一般的に使用されている水、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）、ＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテル）、メタノール、ブタン等の２相凝縮性作動流体３１を封入して熱分散プレート１０を形成する。
【００１８】
この熱分散プレート１０の細孔列１３Ｌとヘッダの流路１６、１７によって複数のループとなる流路が並列に形成される。
【００１９】
この実施例においては、上部ヘッダ１４の流路１６の細孔列１３Ｌと対向する内壁面を幅方向の中央部から左右両側へ流路が広がるように直線的に傾斜させて整流部Rを形成する。
【００２０】
このように構成された熱分散プレート１０の動作を、図２を参照して説明する。
【００２１】
図２に示すとおり、熱分散プレート１０は、細孔列１３Ｌを形成する各細孔１３が上下方向に走るように垂直に配置され、このプレートの主面の一方の下方に冷却の必要な半導体素子などの発熱体１を取付ける。基板１１の表面には、発熱体１の取付けられた部分以外の部分に放熱フィン２が取付けられ、内部には作動流体３１が封入されている。
【００２２】
発熱体１が作動して発熱し、基板１１が加熱されると、基板１１内の液相状の作動流体３１がその熱によって相変化（沸騰）し、蒸気泡３４を発生する。この作動流体が気化する過程で発熱体１から気化潜熱を吸収して発熱体１を冷却する。この蒸気泡３４は液相より密度が小さいため、浮力によって発熱体１の置かれた中央部に位置する往流路となる細孔１３ａ内を上方へ移動する。これが連続発生して点線矢印で示すような上昇流となって基板１１の上方へ移動する。
【００２３】
作動流体の上昇流は上部ヘッダ１４の流路１６内に入ると、この流路１６の内壁面が傾斜され、作動流体の流れを両外側の還流路となる細孔へ案内する整流部Ｒを構成するため、ここで方向を緩やかに変更されて両外側の還流路となる細孔１３ｂへ流れ込み、細孔１３ｂ内を実線矢印で示すような下降流となって下降し、下部ヘッダ１５の流路１７へ流れ込む。下部ヘッダ１５の流路１７へ流れ込んだ作動流体は、流路１７内で方向を内側へ変更されて、再び往流路となる細孔１３ａに送られる。
【００２４】
このように基板内を循環する過程で発熱体１から吸収した熱を基板全体に分散して、放熱フィン２から大気中へ放熱することにより発熱体を冷却する。発熱体１の熱を吸収して気化した作動流体は基板１内を循環する過程で吸収した熱を放熱して凝縮し液相に戻って下部ヘッダ１５へ戻ることになる。
【００２５】
作動流体の上昇流が上部ヘッダ１４内の流路１６の傾斜された内壁の整流部Ｒによって流れの方向が緩やかに変更されることにより作動流体の流れが円滑になって、作動流体の衝突による圧力損失が低減されるため、作動流体による熱輸送効率が高くなる。
【実施例２】
【００２６】
図３にこの発明の実施例２を示す。この実施例２は、実施例１に置ける上部ヘッダ１４に代えて、下部ヘッダ１５の流路１７の細孔と対向する内壁面に中央部から両外側へ流路が拡大する傾斜面を有する整流部Ｒを設けたものである。
【００２７】
このような整流部Ｒの設けられた下部ヘッダ１５の流路１７において、両外側の還流路となる細孔１３ｂから流れ込んだ作動流体が流れ方向を両外側から中央側へ緩やかに方向を変更して、往流路となる中央部の細孔１３ａへ案内される。したがって作動流体の下部ヘッダ１５において、作動流体の流れが円滑になり、作動流体の流路１７の内壁との衝突による圧力損失が低減されるので熱輸送効率を高めることができる。
【実施例３】
【００２８】
図４は、この発明の実施例３を示すものである。この実施例３は、上下両方のヘッダ１４および１５の流路に、傾斜面による整流部Ｒを設けたものである。
【００２９】
このように上下の両方のヘッダに整流部Ｒを設けることにより、作動流体の循環流のヘッダ内おける方向転換点のすべてにおいて作動流体の流れ方向が緩やかに変更されるため、作動流体の流れが往流路となる細孔１３ｃから還流路となる細孔１３ｓへ、そして還流路となる細孔１３ｓから往流路となる細孔１３ｃへ円滑に案内され、作動流体の流路内壁への衝突による圧力損失を低減でき、より熱輸送効率を高めることができる。
【実施例４】
【００３０】
前記の各実施例では、ヘッダの流路に設けた整流部Ｒを直線的な傾斜面で形成しているが、より高い整流効果を得るためには、図５に示すように、ヘッダ内の流路の内壁面に流線的な曲面による整流部Ｒを形成するのがよい。
【００３１】
この図５に示す実施例４は、上下のヘッダ１４および１５内の流路１６および１７の細孔と対向する内壁面が流線的な曲面で形成された整流部Ｒを備えている点以外は前記した各実施例と同じである。
【００３２】
両方のヘッダ１４および１５における整流部Ｒを流線状の曲面で形成すると、方向変更部分での作動流体の流れがより緩やかに方向を変更されるようになることにより、作動流体の流れが円滑となり、流路の内壁との衝突による作動流体の圧力損失がより低減されるため、熱輸送効率をよりより高めることができる。
【実施例５】
【００３３】
図６にこの発明の実施例５を示す。この実施例は、面積をより拡大して複数の発熱体を取付けることができるようにした熱分散プレートの例である。
【００３４】
この実施例５は、図５に示す実施例４の熱分散プレートを２枚接合して一体に構成したものである。上下のヘッダ１４，１５にそれぞれ、幅方向の中心から左右に対称に凹凸状に流線的な曲線で湾曲された流路１６、１７が設けられている。発熱体１ａ、１ｂが下方の左右に離して取付けられる。このため、この発熱体１ａ、１ｂの直下にかかる細孔１３ａ、１３ｃが作動流体の往流路となり、それぞれの両側の細孔１３ｂ、１３ｄが還流路となる。
【００３５】
発熱体１ａ、１ｂ、が発熱すると、その熱によって作動流体に蒸気泡が生じ、点線矢印で示すように細孔１３ａおよび１３ｃ内に作動流体の上昇流が生じ、上部ヘッダ１４内で方向を転換されて、実線矢印で示すように還流路となる細孔１３ｂ、１３ｄ内を下降して下部ヘッダ１６へ流入する。作動流体はさらにこの下部ヘッダ１５内で方向転換して往流路となる細孔１３ａ、１３ｃに流入し、基板内にそれぞれ発熱体１ａおよび１ｂの熱を輸送する２つの作動流体の循環流を作る。
【００３６】
作動流体がヘッダ１４、１５で方向転換するとき、このヘッダ内の流路１６、１７の内壁面に流線的な曲線で形成された整流部Ｒにより、緩やかに方向を変更されさるため、作動流体の流路内壁面への衝突による圧力損失が低減され、熱輸送効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施例１の構成を示すもので、（Ａ）は平面断面図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）は側面断面図である。
【図２】実施例１の動作説明図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
【図３】この発明の実施例２の構成を示す正面断面図である。
【図４】この発明の実施例３の構成を示す正面断面図である。
【図５】この発明の実施例４の構成を示す正面断面図である。
【図６】この発明の実施例５の構成を示す正面断面図である。
【図７】従来の放熱器の構成を示す斜視図である。
【図８】従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図９】従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図１０】従来の放熱器の構成を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。
【図１１】従来の熱分散プレートの構成を示す図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：発熱体、２：放熱フィン、１０：熱分散プレート、１１：基板、１３：細孔  １３Ｌ：細孔列、１４：上部ヘッダ、１５：下部ヘッダ、１６・１７：ヘッダ流路、Ｒ：ヘッダ流路内壁面の整流部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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